Ultratransparent ma stretchable graphene electrodes

O mea e lua-dimensional, e pei o le graphene, e manaia mo faʻaoga masani semiconductor ma faʻaoga fou i mea tau eletise fetuutuunai. Ae ui i lea, o le maualuga o le malosi o le graphene e mafua ai le gau i le maualalo o le galu, ma avea ai ma luʻitau le faʻaogaina o ana mea faʻaeletoroni faʻapitoa i mea faʻaeletonika faʻamalosi. Ina ia mafai ona sili atu le faʻalagolago i le faʻaogaina o faʻataʻitaʻiga graphene manino, na matou fatuina graphene nanoscrolls i le va o faʻaputu graphene layers, e taʻua o multilayer graphene/graphene scrolls (MGGs). I lalo o le faigata, o nisi tusitaai na faʻafesoʻotaʻi vaega vaeluaga o le graphene e faʻamautu ai se fesoʻotaʻiga faʻapipiʻi e mafai ai ona sili atu le faʻaogaina i le maualuga. Trilayer MGGs lagolago i elastomers na taofia le 65% o latou uluai conductance i le 100% strain, lea e saʻo i le itu o le tafe o loʻo i ai nei, ae o ata trilayer o graphene e aunoa ma nanoscrolls na taofia na o le 25% o latou amata amata. O se transistor kaponi uma e mafai ona fa'aogaina e fa'aogaina ai MGGs e pei o ni eletise na fa'aalia ai le fa'aliliuina o le >90% ma fa'atumauina le 60% o lona gaosiga muamua i le taimi nei i le 120% fa'agata (tutusa ma le itu o le felauaiga tau). O nei transistors sili ona fa'alava ma manino uma-carbon transistors e mafai ona fa'aagaoioia optoelectronics stretchable.
O mea fa'aeletonika manino fa'alava ose fanua fa'atuputeleina o lo'o i ai fa'aoga taua i faiga fa'aolaola fa'aolaola (1, 2) fa'apea fo'i ma le gafatia e tu'ufa'atasia fa'atasi ma optoelectronics stretchable (3, 4) e maua ai ni masini fa'apolopolo vaivai ma fa'aaliga. O le Graphene o loʻo faʻaalia ai mea e sili ona manaʻomia o le mafiafia o atomic, maualuga le manino, ma le maualuga o le amio, ae o lona faʻatinoga i mea faʻapipiʻi ua faʻalavelaveina e lona uiga e taʻe i nai mea laiti. O le fa'ato'ilaloina o tapula'a fa'ainisinia o le graphene e mafai ai ona fa'atino galuega fou i masini fa'amama manino.
O mea uiga ese o le graphene e avea ai ma sui malosi mo le isi augatupulaga o eletise faʻataʻitaʻi manino (5, 6). Pe a fa'atusatusa i le ta'avale manino e masani ona fa'aaogaina, indium tin oxide [ITO; 100 ohms/square (sq) i le 90% transparency ], monolayer graphene fa'atupuina e le vaila'au ausa (CVD) o lo'o i ai se tu'ufa'atasiga tutusa o le tete'e pepa (125 ohms/sq) ma le manino (97.4%) (5). E le gata i lea, o ata graphene e sili ona fetuutuunai pe a faatusatusa i le ITO (7). Mo se faʻataʻitaʻiga, i luga o se mea faʻapipiʻi palasitika, e mafai ona taofiofia lona amio e oʻo lava i se laina faʻapipiʻi o le curvature laʻititi e pei o le 0.8 mm (8). Ina ia faʻaleleia atili lona faʻaogaina o le eletise e pei o se taʻitaʻi fetuutuunai manino, o galuega muamua na fausia ai mea faʻapipiʻi graphene faʻatasi ma le tasi -dimensional (1D) nanowires siliva poʻo le carbon nanotubes (CNTs) (9-11). E le gata i lea, o le graphene ua faʻaaogaina e fai ma eletise mo semiconductoral heterostructural fefiloi (e pei o le 2D bulk Si, 1D nanowires / nanotubes, ma 0D quantum dots) (12), transistors fetuutuunai, solar cell, ma moli-emitting diodes (LEDs) (13). –23).
E ui lava o le graphene na faʻaalia ni taunuuga manuia mo mea faʻaeletonika fetuutuunai, o lona faʻaogaina i mea faʻaeletonika faʻapipiʻiina ua faʻatapulaʻaina e ona mea faʻainisinia (17, 24, 25); graphene ei ai le malo i totonu o le vaalele o le 340 N/m ma le Young's modulus o le 0.5 TPa (26). Ole feso'ota'iga malosi carbon-carbon e le maua ai so'o se masini fa'amama'i mo le fa'aogaina o le galu ma o lea e faigofie ai ona ta'e i lalo ifo o le 5% fa'agata. Mo se fa'ata'ita'iga, o le CVD graphene na tu'uina atu i luga o se polydimethylsiloxane (PDMS) elastic substrate e mafai ona fa'atumauina lona fa'agaioia i lalo ifo o le 6% strain (8). O fa'atusatusaga fa'apitoa e fa'aalia ai o le fa'alumaluma ma le feso'ota'iga i le va o laulau eseese e tatau ona fa'aitiitia ai le malo (26). E ala i le fa'aputuina o le kalafi i le tele o laulau, o lo'o lipotia mai ai o lenei graphene e lua po'o le tolulayer e mafai ona fa'alautele i le 30% fa'agata, e fa'aalia ai le suiga o le tete'e 13 taimi la'ititi nai lo le monolayer graphene (27). Ae ui i lea, o lenei fa'agasolo o lo'o matua maualalo lava nai lo mea fa'aonaponei fa'aonaponei fa'a'ave'esea (28, 29).
E taua tele Transistors i fa'aoga fa'agasolo aua e mafai ai ona faitau fa'amatalaga fa'apitoa ma su'esu'ega fa'ailo (30, 31). Transistors i luga o le PDMS ma multilayer graphene e avea ma puna eletise / alavai eletise ma mea e mafai ona faʻaogaina eletise e oʻo atu i le 5% strain (32), lea e sili atu i lalo ole tau manaʻomia (~ 50%) mo masini mataʻituina le soifua maloloina ma paʻu eletise. 33, 34). Talu ai nei, na suʻesuʻeina ai le graphene kirigami, ma o le transistor gated e se electrolyte vai e mafai ona faʻalauteleina i le 240% (35). Ae ui i lea, o lenei metotia e manaʻomia ai le graphene faʻamalolo, lea e faʻalavelave ai le faʻagasologa o le gaosiga.
O iinei, matou te ausia ai masini graphene e sili atu ona faʻaogaina e ala i le faʻaogaina o tusi taʻavale graphene (~ 1 i le 20 μm umi, ~ 0.1 i le 1 μm lautele, ma le ~ 10 i le 100 nm maualuga) i le va o graphene layers. Matou te manatu o nei tusitaai graphene e mafai ona maua ai auala faʻafeiloaʻi e faʻapipiʻi ai taʻetaʻei i laupepa graphene, ma faʻatumauina ai le maualuga o le amio i lalo o le faʻalavelave. O tusi taai graphene e le manaʻomia se faʻaopoopoga poʻo se faʻagasologa; o lo'o fa'atupuina fa'anatura a'o fa'agasolo su'esu'ega. E ala i le faʻaaogaina o le G / G (graphene / graphene) taʻavale (MGGs) graphene stretchable electrodes (puna/vai ma le faitotoʻa) ma semiconducting CNTs, na mafai ai ona matou faʻaalia le sili atu le manino ma le faʻalauteleina o transistors uma-carbon, lea e mafai ona faʻalauteleina i le 120 % fa'amama (fa'atutusa ma le fa'atonuga o felauaiga tau) ma fa'atumauina le 60 % o le latou gaosiga muamua. O le transistor fa'avae carbon sili ona fa'a'alo'aina i le taimi nei, ma e lava le taimi nei e fa'aola ai se LED e le fa'aogaina.
Ina ia mafai ai ona faʻaogaina eletise graphene e mafai ona faʻaogaina tele, na matou filifilia le kalafi e tupu aʻe CVD i luga o le pepa pepa. O le Cu foil na faʻamautu i le ogatotonu o le CVD quartz tube e faʻatagaina ai le tuputupu aʻe o le graphene i itu uma e lua, e fausia ai G / Cu / G fausaga. Ina ia faʻafeiloaʻi le graphene, matou te faʻapipiʻiina muamua se vaega manifinifi o le poly(methyl methacrylate) (PMMA) e puipuia ai le tasi itu o le graphene, lea na matou faaigoaina o le topside graphene (vice versa mo le isi itu o le graphene), ma mulimuli ane, o le graphene. ata tifaga atoa (PMMA / pito i luga graphene / Cu / pito i lalo graphene) sa susu i (NH4) 2S2O8 fofo e etch ese le Cu pepa. O le graphene pito i lalo e aunoa ma le faʻapipiʻiina o le PMMA o le a le maalofia le i ai o taʻe ma faʻaletonu e mafai ai e se etchant ona ulu i totonu (36, 37). E pei ona faʻaalia i le Ata 1A, i lalo o le aʻafiaga o le faʻalavelave i luga o le fogaeleele, o le graphene domains ua tuʻuina atu na taʻavale i luga o taʻavale ma mulimuli ane faʻapipiʻi i luga o le ata pito i luga-G / PMMA. O tusi taai pito i luga-G/G e mafai ona faʻafeiloaʻi i luga o soʻo se mea, pei ole SiO2/Si, tioata, poʻo le polymer vaivai. O le toe faia o lenei faagasologa o le fesiitaiga i le tele o taimi i luga o le mea e tasi e maua ai fausaga MGG.
(A) Fa'ata'ita'iga fa'ata'ita'iga o le fa'agasologa o faiga mo MGG e pei o se fa'aeletise fa'alava. I le taimi o le faʻaliliuina o le graphene, o le pito i tua o le graphene i luga o le Cu foil na gau i tuaoi ma faaletonu, taʻavale i luga i foliga faʻapitoa, ma faʻapipiʻi mau i luga o ata tifaga, fausia ai nanoscrolls. O le ata ata lona fa o lo'o fa'aalia ai le fa'aputuga o le MGG. (B ma le C) Faʻamatalaga maualuga TEM o se MGG monolayer, e taulaʻi i le monolayer graphene (B) ma le taʻavale (C) itulagi, taʻitasi. O le fa'aofiina o le (B) o se ata fa'alilolilo maualalo e fa'aalia ai le fa'avasegaga atoa o MGG monolayer i luga o le fa'asologa o le TEM. Insets o (C) o faʻamatalaga malosi o loʻo ave i luga o pusa faʻataʻitaʻi o loʻo faʻaalia i le ata, lea o le mamao i le va o vaalele atomika o le 0.34 ma le 0.41 nm. (D) Alaleo EEL Carbon K-edge fa'atasi ai ma fa'ailoga kalafi π* ma σ* pito i luga ua fa'ailogaina. (E) Vaega AFM ata o monolayer G / G tusi taai ma se talaaga maualuga i luga o le laina togitogi samasama. (F i le I) Optical microscopy ma ata AFM s o trilayer G e aunoa ma le (F ma le H) ma tusi taai (G ma I) i luga ole 300-nm-mafiafia SiO2 / Si substrates, faasologa. Sa fa'ailoga tusitaai ma maanuminumi e fa'ailoa ai o latou eseesega.
Ina ia faʻamaonia o taʻavale o loʻo taʻavale graphene i le natura, na matou faʻatautaia suʻesuʻega o le eletise eletise eletise (TEM) ma le eletise eletise eletise (EEL) suʻesuʻega i luga o le monolayer top-G/G scroll structures. O le Ata 1B o lo'o fa'aalia ai le fausaga hexagonal o le monolayer graphene, ma o le fa'aofiina o se fa'asologa atoa o le ata o lo'o ufiufi i luga o se pu kaponi tasi o le TEM grid. O le monolayer graphene e fa'asolo i le tele o le fa'asologa, ma o nisi graphene flakes i luma o le tele o fa'aputuga o mama hexagonal e aliali mai (Ata. 1B). E ala i le sosolo i totonu o se taʻavale taʻitasi (Fig. 1C), matou te matauina le tele o graphene lattice fringes, faʻatasi ai ma le va o lattice i le va o le 0.34 i le 0.41 nm. O nei fua e fa'ailoa mai ai o fasipepa e ta'ai fa'afuase'i ma e le'o atoatoa graphite, o lo'o i ai le va o lattice o le 0.34 nm i le fa'aputuina o le "ABAB". O le ata 1D o lo'o fa'aalia ai le alaleo o le EEL carbon K-edge, lea o le pito i luga o le 285 eV e afua mai i le π* orbital ma le isi i le 290 eV e mafua mai i le suiga o le σ* orbital. E mafai ona vaʻaia o le sp2 faʻapipiʻi e pule i totonu o lenei fausaga, faʻamaonia o tusi taʻavale e maualuga le graphitic.
Optical microscopy ma atomic force microscopy (AFM) ata e maua ai le malamalama i le tufatufaina o graphene nanoscrolls i MGGs (Fig. 1, E to G, ma fig. S1 ma S2). O tusi taai e tufatufa faʻafuaseʻi i luga o le fogaeleele, ma o latou i totonu o le vaalele e faʻateleina faʻatusatusa i le aofaʻi o faʻaputuina faʻapipiʻi. O le tele o tusi taai e fusifusia i nonoa ma faʻaalia le maualuga e le tutusa i le va o le 10 i le 100 nm. E 1 i le 20 μm le umi ma le 0.1 i le 1 μm lautele, e fa'atatau i le lapopo'a o latou ulua'i graphene flakes. E pei ona faʻaalia i le Ata 1 (H ma le I), o taʻavale e sili atu le lapopoa nai lo maanuminumi, e oʻo atu ai i se faʻaoga sili atu ona faigata i le va o graphene layers.
Ina ia fuaina mea tau eletise, matou te faʻataʻitaʻiina ata graphene pe leai foi ni fausaga taʻavale ma faʻapipiʻi faʻapipiʻi i 300-m-lautele ma 2000-m-umi fasi pepa e faʻaaoga ai le photolithography. E lua-su'esu'e tete'e e pei o se galuega o le mamafa na fuaina i lalo o tulaga ambient. O le i ai o tusi taai na faʻaitiitia ai le resistivity mo monolayer graphene e 80% ma naʻo le 2.2% faʻaititia i le transmittance (fig. S4). O lenei mea e faʻamaonia ai o nanoscrolls, o loʻo i ai le maualuga maualuga o loʻo i ai nei e oʻo atu i le 5 × 107 A / cm2 (38, 39), e faia ai se sao lelei tele i le MGG. Faatasi ai ma le mono-, bi-, ma le trilayer plain graphene ma MGGs, o le MGG trilayer e sili ona lelei le amio ma le manino o le toeitiiti 90%. Ina ia faʻatusatusa i isi faʻapogai o le graphene na lipotia mai i tusitusiga, na matou fuaina foi faʻamaufaʻailoga laupepa e fa (fig. S5) ma lisiina i latou o se galuega o le transmittance i le 550 nm (fig. S6) i le Ata 2A. O le MGG o lo'o fa'aalia le fa'atusaina pe maualuga atu le amio ma le manino nai lo le fa'aputu fa'aputu fa'aputu graphene manino ma fa'aitiitia kafene oxide (RGO) (6, 8, 18). Ia maitauina o le tetee i luga ole laiga ole kalafi fa'apipi'i fa'apipi'i fa'apipi'i fa'afuafua mai tusitusiga e teisi maualuga atu nai lo le tatou MGG, masalo ona o latou tulaga e le'i fa'atatauina le tuputupu a'e ma le auala fesiitaiga.
(A) Fa su'esu'ega pepa fa'asaga i le felauaiga i le 550 nm mo le tele o ituaiga kalafi, lea e fa'ailoa ai e sikuea uliuli mono-, bi-, ma ta'i tolu MGGs; li'o mumu ma tafatolu lanumoana e fetaui ma multilayer plain graphene ola i Cu ma Ni mai suʻesuʻega a Li et al. (6) ma Kim et al. (8), fa'asologa, ma mulimuli ane fa'afeiloa'i ile SiO2/Si po'o le quartz; ma tafatolu lanu meamata o tau mo le RGO i tikeri faʻaititia eseese mai le suʻesuʻega a Bonaccorso et al. ( 18). (B ma le C) Fa'asalaina suiga tetee o le mono-, bi- ma trilayer MGGs ma G e avea o se galuega o le perpendicular (B) ma le tutusa (C) galu i le itu o loo tafe nei. (D) Suiga fa'asa'o fa'asagaga o le lapisi G (mumu) ma le MGG (uliuli) i lalo o le fa'ata'amilomilo fa'amomoli e o'o atu i le 50% fa'asagaga fa'asaga. (E) Suiga masani fa'asagaga o le trilayer G (mumu) ma le MGG (uliuli) i lalo o le galu fa'ata'amilomilo utaina i luga o le 90% galu tutusa. (F) Fa'asa'o suiga capacitance o le mono-, lua-ma-tolu-layer G ma ta-lua ma tolu-layer MGGs o se galuega o le tiga. O le faʻapipiʻi o le fausaga o le capacitor, lea o le polymer substrate o le SEBS ma le polymer dielectric layer o le 2-μm-mafiafia SEBS.
Ina ia iloilo le faʻaogaina o le faʻaogaina o le MGG, matou te tuʻuina atu le graphene i luga o le thermoplastic elastomer styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) substrates (~ 2 cm lautele ma ~ 5 cm le umi), ma o le conductivity na fuaina aʻo faʻalauteleina le meaʻai. (va'ai Mea ma Metotia) fa'atutusa ma tutusa ma le itu o lo'o tafe nei (Ata. 2, B ma C). Na faʻaleleia atili le amio faʻalagolago i le eletise i le tuʻufaʻatasia o nanoscrolls ma faʻateleina numera o graphene layers. Mo se faʻataʻitaʻiga, pe a faʻapipiʻi le galu i le tafe o le taimi nei, mo le monolayer graphene, o le faʻaopoopoga o tusi taai na faʻateleina ai le faʻalavelave i le malepelepe eletise mai le 5 i le 70%. O le fa'apalepale fa'apalepale o le trilayer graphene ua matua fa'aleleia atili pe a fa'atusatusa i le monolayer graphene. Faʻatasi ai ma nanoscrolls, i le 100% perpendicular strain, o le tetee o le trilayer MGG structure na o le 50%, pe a faʻatusatusa i le 300% mo trilayer graphene e aunoa ma ni taʻavale. Sa su'esu'eina le suiga o le tetee i lalo o le mamafa o le mamafa o le taamilosaga. Mo faʻatusatusaga (Fig. 2D), o le teteʻe o se ata tifaga bilayer graphene faʻateleina e uiga i le 7.5 taimi pe a maeʻa ~ 700 taʻamilosaga i le 50% faʻamaufaʻailoga ma faʻaauau pea ona faʻateleina ma faʻalavelave i taʻamilosaga taʻitasi. I le isi itu, o le tetee a le bilayer MGG na o le faʻatupulaia e uiga i le 2.5 taimi pe a uma le 700 taamilosaga. Faʻaaogaina e oʻo atu i le 90% faʻamalosi i luga o le itu tutusa, o le tetee o le trilayer graphene na faʻateleina ~ 100 taimi pe a uma le 1000 taamilosaga, ae naʻo le ~ 8 taimi i se MGG trilayer (Fig. 2E). O taunu'uga o le uila o lo'o fa'aalia i le fig. S7. O le fa'atupula'ia vave o le tete'e i luga o le itu fa'asagaga tutusa ona o le fa'asinomaga o ta'eta'ei e fa'asaga tonu i le itu o lo'o tafe nei. O le fesuiaiga o le teteʻe i le taimi o le utaina ma le lafoaia o le mamafa e mafua mai i le viscoelastic toe faʻaleleia o le SEBS elastomer substrate. O le sili atu ona mautu o le MGG strips i le taimi o le uila e mafua ona o le i ai o tusi taai tetele e mafai ona faʻapipiʻi vaega taʻe o le kalafi (e pei ona vaʻaia e le AFM), e fesoasoani i le faatumauina o se ala faʻafefe. O lenei tulaga o le fa'atumauina o le fa'agaoioiga e ala i se ala fa'afefeteina na lipotia muamua mo u'amea ta'e po'o ata semiconductor i luga o mea fa'apipi'i elastomer (40, 41).
Ina ia iloiloina nei ata tifaga faʻavae graphene e pei o le faitotoa eletise i masini faʻapipiʻi, matou ufiufi le graphene layer ma se SEBS dielectric layer (2 μm mafiafia) ma mataʻituina le suiga o le malosi o le dielectric e avea o se galuega o le faʻalavelave (vaʻai Ata 2F ma Mea Faʻaopoopo mo Mea Faʻaopoopo mo faʻamatalaga). Na matou matauina o capacitances i monolayer manino ma bilayer graphene electrodes vave faaitiitia ona o le leiloa o le conductivity i-vaalele o graphene. I se fa'atusatusaga, capacitances gated by MGGs fa'apea fo'i le trilayer graphene na fa'aalia ai le si'itia o le capacitance ma le fa'alavelave, lea e fa'amoemoeina ona o le fa'aitiitia o le mafiafia o le dielectric ma le fa'atiga. O le fa'amoemoeina o le si'itia o le capacitance e fetaui lelei ma le fa'atulagaga MGG (fig. S8). O loʻo faʻaalia ai e talafeagai le MGG e fai ma faitotoa eletise mo transistors e mafai ona faʻaogaina.
Ina ia suʻesuʻeina atili le matafaioi a le 1D graphene scroll i luga o le faʻapalepale faʻafefe o le eletise eletise ma sili atu le pulea o le vavaeeseina i le va o graphene layers, matou te faʻaogaina CNTs faʻapipiʻiina e sui ai tusi taʻavale graphene (silasila Mea Faʻaopoopo). Ina ia faʻataʻitaʻiina fausaga MGG, matou te teuina le tolu densities o CNTs (o lona uiga, CNT1
(A i le C) AFM ata o tolu densities eseese o CNTs (CNT1
Ina ia malamalama atili i lo latou gafatia e avea ma eletise mo mea tau eletise, sa matou suʻesuʻeina faʻasolosolo le faʻaogaina o le MGG ma le G-CNT-G i lalo o le faʻalavelave. O le mata'itusi mata ma le su'esu'eina o le electron microscopy (SEM) e le o ni metotia fa'amaonia lelei ona o le leai o se eseesega o lanu ma le SEM e fa'atatau i mea fa'atusa ata i le taimi o le fa'aogaina o le eletise pe a o'o le kalafi i luga o le polymer substrates (fig. S9 ma le S10). Ina ia matauina i le tulaga o le graphene i lalo o le faʻalavelave, matou te aoina le AFM fua i luga o le MGGs trilayer ma le graphene manino ina ua uma ona faʻafeiloaʻi i luga o mea manifinifi (~ 0.1 mm mafiafia) ma mea faʻapipiʻi SEBS. Ona o le faaletonu o le CVD graphene ma le faaleagaina i fafo i le faagasologa o le fesiitaiga, e mautinoa lava le tupu mai o ta'ega i luga o le graphene faʻafefe, ma faʻatasi ai ma le faʻateleina o le faʻalavelave, na atili ai ona mafiafia le taʻavale (Fig. 4, A i le D). E fa'atatau i le fa'aputuina o fa'aputuga o fa'aeletise fa'avae kaponi, o ta'eta'ei e fa'aalia ai morphologies eseese (fig. S11) (27). Ole tele ole vaega ta'eta'e (fa'amatala ole vaega ta'e/vaega su'esu'e) ole kalafi fa'alava tele e la'ititi nai lo le kalafi monolayer pe a mae'a fa'atiga, lea e o gatasi ma le fa'atuputeleina o le eletise mo MGGs. I le isi itu, o taʻavale e masani ona vaʻaia e faʻapipiʻi ai taʻetaʻe, e maua ai auala faʻaopoopo i le ata tifaga. Mo se faʻataʻitaʻiga, e pei ona faʻailogaina i le ata o le Ata 4B, o se tusi taai lautele na sopoia se taʻe i le MGG trilayer, ae leai se tusi taai na matauina i le graphene manino (Ata. 4, E i le H). E fa'apena fo'i, na fa'afeso'ota'i fo'i e le CNT ia ta'eta'ei i kalafi (fig. S11). O le tele o le vaega ta'eta'e, le tele o le vaega ta'ai, ma le talatala o ata o lo'o aoteleina i le Ata 4K.
(A i le H) I le tulaga AFM ata o trilayer G / G tusi taai (A i le D) ma trilayer G fausaga (E i le H) i luga o se SEBS matua manifinifi (~ 0.1 mm mafiafia) elastomer i 0, 20, 60, ma 100 % tiga. O ta'ei fa'atusa ma ta'ai e fa'asino i aū. O ata uma o le AFM o loʻo i totonu o le eria o le 15 μm × 15 μm, faʻaaoga le fua lanu tutusa e pei ona faʻailogaina. (I) Fa'ata'ita'iga fa'ata'ita'iga o fa'ata'ita'iga monolayer graphene electrodes i le SEBS substrate. (J) Fa'afanua fa'ata'ita'i fa'ata'ita'iga o le fa'agāsologa logarithmic pito sili ona maualuga i le monolayer graphene ma le SEBS substrate i le 20% fa'alavelave fafo. (K) Fa'atusatusaga o le mafiafia o le vaega ta'eta'ei (koluma mumu), le tele o le vaega ta'ai (koluma samasama), ma le talatala o luga (koluma lanumoana) mo fausaga eseese o kalafi.
Pe a fa'asolo ata tifaga MGG, o lo'o i ai se masini fa'aopoopo taua e mafai e tusi ta'ai ona fa'afeso'ota'i vaega ta'e o le graphene, fa'atumauina se feso'ota'iga fa'apipi'i. O tusi ta'ai graphene e fa'amoemoeina aua e mafai ona sefulu micrometer le umi ma mafai ai ona fa'afeso'ota'i ta'eta'ei e masani ona o'o i le fua micrometer. E le gata i lea, talu ai o tusi taai e aofia ai multilayers o graphene, e faʻamoemoe e maualalo le teteʻe. A fa'atusatusa, e mana'omia feso'ota'iga CNT e la'ititi (maualalo le fe'avea'i) e tu'uina atu ai le fa'atusatusaga o le fa'aogaina o feso'ota'iga, ona e la'ititi CNTs (e masani lava o nai micrometers le umi) ma e itiiti ifo le fa'aulu nai lo ta'ai. I le isi itu, e pei ona faaalia i le fig. S12, a'o ta'e le graphene i le taimi e fa'aloaloa ai e fa'afefe ai le tiga, e le ta'e tusi ta'ai, e ta'u mai ai o lo'o fa'ase'e le kalafi i lalo ole kalafi. O le mafuaʻaga latou te le taʻe ai e mafua ona o le fausaga faʻapipiʻi, e aofia ai le tele o laulau o graphene (~ 1 i le 2 0 μm umi, ~ 0.1 i le 1 μm lautele, ma le ~ 10 i le 100 nm maualuga), lea e iai se modulus aoga maualuga atu nai lo le graphene tasi-layer. E pei ona lipotia mai e Green ma Hersam (42), o fesoʻotaʻiga CNT metallic (tube diameter o 1.0 nm) e mafai ona ausia le maualalo o le laupepa <100 ohms / sq e ui lava i le tele o fesoʻotaʻiga i le va o CNTs. Mafaufau i le lautele o le 0.1 i le 1 μm a tatou graphene scrolls ma o le G / G scrolls e sili atu le tele o nofoaga faʻafesoʻotaʻi nai lo CNTs, o le faʻafesoʻotaʻi faʻafesoʻotaʻi ma le fesoʻotaʻiga i le va o graphene ma graphene scrolls e le tatau ona faʻatapulaʻaina mea e faʻamautu ai le maualuga o le amio.
O le graphene e sili atu le maualuga o le modulus nai lo le SEBS substrate. E ui lava o le mafiafia lelei o le graphene electrode e sili atu ona maualalo nai lo le substrate, o le maaa o le graphene taimi lona mafiafia e faʻatusatusa i le mea o le substrate (43, 44), e mafua ai le faʻaogaina o se motu malo. Na matou faʻataʻitaʻiina le faʻaleagaina o le 1-nm-mafiafia graphene i luga o se SEBS substrate (silasila Mea Faʻaopoopo mo faʻamatalaga). E tusa ai ma faʻataʻitaʻiga faʻataʻitaʻiga, pe a faʻaaogaina le 20% strain i le SEBS substrate i fafo, o le averesi o le mamafa i le graphene e ~ 6.6% (Fig. 4J ma le fig. S13D), lea e ogatasi ma faʻataʻitaʻiga faʻataʻitaʻiga (silasila i le ata S13) . Na matou faʻatusatusaina le faʻalavelave i le graphene mamanu ma le substrate eria e faʻaaoga ai le microscopy opitika ma maua ai le faʻalavelave i le vaega o le substrate e le itiiti ifo ma le faaluaina le galu i le graphene region. O lo'o fa'ailoa mai ai e mafai ona fa'atapula'aina le fa'aogaina i luga o mamanu eletise graphene, ma fa'atupu ai motu malo graphene ile pito i luga ole SEBS (26, 43, 44).
O le mea lea, o le gafatia o le MGG electrodes e faatumauina le maualuga o le amio i lalo o le mamafa maualuga e foliga mai e mafai e ni auala tetele se lua: (i) E mafai e tusi taʻavale ona faʻafesoʻotaʻi vaega motumotu e tausia ai se auala faʻafefe, ma (ii) e mafai ona faʻasolo i luga o laupepa graphene / elastomer multilayer. i luga o le tasi ma le isi, e mafua ai le faʻaitiitia o le mamafa i luga o graphene electrodes. Mo le tele o laulau o le graphene faʻafeiloaʻi i luga o le elastomer, e le faʻapipiʻi malosi le tasi i le isi, e mafai ona faʻafefe i le tali atu i le tiga (27). O tusi taai na faʻapupulaina ai foʻi le gaogao o le graphene layers, lea e mafai ona fesoasoani e faʻateleina ai le vaeluaga i le va o graphene layers ma mafai ai ona faʻaseʻe le graphene layers.
O mea uma-carbon e tulituliloaina ma le naunautai ona o le tau maualalo ma le maualuga o le gaosiga. I lo matou tulaga, o transistors uma-carbon na faʻapipiʻiina e faʻaaoga ai le pito i lalo o le graphene gate, o le pito i luga o le graphene source / drain contact, se faʻavasega CNT semiconductor, ma SEBS o se dielectric (Fig. 5A). E pei ona faʻaalia i le Ata 5B, o se masini kaponi uma ma CNTs o le puna / alavai ma le faitotoʻa (masini pito i lalo) e sili atu le vaʻaia nai lo le masini e iai graphene electrodes (masini pito i luga). E mafua ona o feso'ota'iga CNT e mana'omia ai mafiafia tetele ma, fa'atupuina, fa'asolo atu i lalo o feso'ota'iga mata'itusi e maua ai le tete'e o laupepa e tutusa ma le kalafi (fig. S4). O le Ata 5 (C ma le D) o lo'o fa'aalia ai le fesiita'iga o sui ma fa'asologa fa'asolo a'o le'i fa'atiga mo se transistor e fa'aogaina i le la'au fa'aeletise MGG. O le lautele o le alalaupapa ma le umi o le transistor e leʻi faʻasalaina e 800 ma 100 μm, i le faasologa. Ole fua ole fua fa'atatau e sili atu nai lo le 103 fa'atasi ai ma au i luga ma fafo ile maualuga ole 10−5 ma le 10−8 A. O lo'o fa'aalia e le fa'asologa o mea e fa'atatau i le laina laina ma le sauration pulega fa'atasi ma le fa'alagolago i le faitoto'a-voltage, e fa'ailoa mai ai feso'ota'iga lelei i le va o CNTs ma graphene electrodes (45). O le fa'afeso'ota'i fa'afeso'ota'i ma graphene electrodes na matauina e maualalo ifo nai lo le fa'asao Au ata (silasila i le fig. S14). O le tasiration mobility o le transistor stretchable e tusa ma le 5.6 cm2/Vs, e tutusa ma le tutusa polymer-faavasegaina transistors CNT i substrates malo ma 300-nm SiO2 e pei o se vaega dielectric. E mafai ona fa'aleleia atili le fe'avea'i pe a fa'atumauina le tele o paipa ma isi ituaiga o paipa (46).
(A) Fuafuaga ole transistor e mafai ona fa'asolo ile kalafi. SWNTs, tasi-pa puipui carbon nanotubes. (B) Ata o le transistors e mafai ona fa'a'alo'aina faia i graphene electrodes (pito i luga) ma CNT electrodes (lalo). O le eseesega i le manino e manino lava ona iloa. (C ma le D) Fa'aliliuina ma fa'asolo atu pupuni o le transistor fa'avae graphene ile SEBS a'o le'i fa'atiga. (E ma le F) Fa'asolo atu pi'o, i luga ma ese le taimi nei, i luga/off ratio, ma le gaioi o le transistor-fa'avae kalafi i galu eseese.
Ina ua fa'aloloa le masini manino, uma-carbon i le itu e tutusa ma le fa'atonuga o felauaiga, o sina fa'aleagaina na matauina e o'o atu i le 120%. I le taimi o le faʻalauteleina, o le gaioiga faʻasolosolo faʻaitiitia mai le 5.6 cm2 / Vs i le 0% strain i le 2.5 cm2 / Vs i le 120% strain (Fig. 5F). Na matou faʻatusatusaina foʻi le faʻatinoga o le transistor mo umi o laina eseese (silasila i le laulau S1). Ae maise, i se faʻalavelave e pei o le 105%, o nei transistors uma o loʻo faʻaalia pea le maualuga i luga / paʻu fua (>103) ma le gaoioi (> 3 cm2 / Vs). E le gata i lea, sa matou aoteleina uma galuega lata mai i luga o transistors-carbon (silasila i le laulau S2) (47–52). E ala i le fa'asilisiliina o le gaosiga o masini i luga o elastomers ma le fa'aogaina o MGG e fai ma feso'ota'iga, oa tatou transistors-carbon uma e fa'aalia lelei le fa'atinoga i tulaga o le fe'avea'i ma le hysteresis fa'apea fo'i ma le fa'alava tele.
I le avea ai o se faʻaoga o le transistor manino atoatoa ma faʻalauteleina, na matou faʻaaogaina e pulea ai le sui o le LED (Ata 6A). E pei ona fa'aalia i le Ata 6B, o le LED lanu meamata e mafai ona va'aia manino e ala i le masini fa'apipi'i uma-carbon tu'u sa'o i luga. Aʻo faʻalauteleina i le ~ 100% (Fig. 6, C ma D), e le suia le malosi o le malamalama o le LED, lea e ogatasi ma le faʻatinoga o le transistor o loʻo faʻamatalaina i luga (vaai i le ata tifaga S1). O le lipoti muamua lea o iunite faʻatonutonu e mafai ona faʻaogaina e faʻaaoga ai le graphene electrodes, faʻaalia se avanoa fou mo le graphene stretchable electronics.
(A) Circuit o se transistor e ave ai le LED. GND, eleele. (B) Ata o le transistor kaponi e mafai ona fa'asolo ma manino i le 0% fa'agata fa'apipi'i i luga a'e o le LED lanu meamata. (C) O lo'o fa'apipi'i i luga a'e o le LED i le 0% (agavale) ma le ~ 100% strain (taumatau). O aū pa'epa'e e fa'asino i fa'ailoga samasama i luga o le masini e fa'aalia ai le suiga mamao o lo'o fa'aloloa. (D) Va'aiga itu o le transistor fa'aloloa, fa'atasi ai ma le LED e tulei i totonu o le elastomer.
I le faaiuga, ua matou atiina ae se fausaga manino conductive graphene e faatumauina le conductivity maualuga i lalo o galu tetele e pei electrodes stretchable, mafai e graphene nanoscrolls i le va o le faaputuga graphene layers. E mafai ona faatumauina le 21 ma le 65% o nei fau eletise MGG e lua ma tolu-layer i luga o se elastomer, i le faasologa, o latou 0% faʻalavelave faʻalavelave i se faʻalavelave e maualuga atu i le 100%, faʻatusatusa i le leiloa atoa o le conductivity i le 5% strain mo masani monolayer graphene electrodes. . O auala fa'aopoopo fa'aopoopo o tusi ta'ai o graphene fa'apea fo'i ma le vaivai o feso'ota'iga i le va o laulau fa'aliliu e saofagā i le fa'amautu maualuga o le amio i lalo o le fa'alavelave. Na matou fa'aogaina atili le fausaga o le graphene e fau uma ai-carbon transistors fa'alava. E oʻo mai i le taimi nei, o le transistor faʻavae graphene e sili ona faʻalauteleina ma le manino sili e aunoa ma le faʻaogaina o le faʻaogaina. E ui lava o le suʻesuʻega o loʻo i ai nei na faʻatautaia ina ia mafai ai e le graphene mo mea faʻaeletonika faʻapipiʻi, matou te talitonu e mafai ona faʻalauteleina lenei auala i isi mea 2D e mafai ai ona faʻaogaina 2D eletise.
O le CVD graphene lapopo'a na fa'atupuina i luga o pepa ta'i Cu (99.999%; Alfa Aesar) i lalo o le mamafa faifaipea o le 0.5 mtorr ma le 50-SCCM (standard cubic centimeter i le minute) CH4 ma le 20-SCCM H2 e fai ma mua'i i le 1000°C. O itu uma e lua o le Cu foil sa ufiufi e monolayer graphene. O se vaega manifinifi o le PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) na faʻapipiʻiina i luga o le tasi itu o le Cu foil, ma fausia ai se PMMA / G / Cu foil / G fausaga. mulimuli ane, o le ata atoa na susu i le 0.1 M ammonium persulfate [(NH4)2S2O8] solution mo le tusa ma le 2 itula e aveese ai le Cu foil. I lenei faagasologa, o le graphene pito i tua e le'i puipuia na muamua saeia i luga o tuaoi o saito ona taai lea i luga i ni tusitaai ona o le vevesi o le fogaeleele. O tusi taai na faʻapipiʻiina i luga o le PMMA-lagolagoina pito i luga graphene ata tifaga, faʻatutuina PMMA / G / G taʻai. O ata tifaga na fufuluina mulimuli ane i le vai faʻafefeteina i le tele o taimi ma faʻapipiʻi i luga o se mea faʻapipiʻi, e pei o se SiO2/Si malo poʻo se mea faʻapipiʻi palasitika. O le taimi lava na mago ai le ata o lo'o fa'apipi'i i luga o le mea'ai, o le fa'ata'ita'iga e fa'asusu fa'asolosolo i le acetone, 1:1 acetone/IPA (isopropyl alcohol), ma le IPA mo le 30 s ta'itasi e aveese ai le PMMA. O ata na faʻamafanafanaina i le 100 ° C mo le 15 min poʻo le teuina i totonu o se masini i le po e aveese atoa ai le vai maileia aʻo leʻi tuʻuina atu i ai se isi vaega ole G / G scroll. O le laasaga lea e aloese ai mai le vavaeeseina o le graphene film mai le substrate ma faʻamautinoa le faʻaogaina atoa o MGG i le taimi o le tatalaina o le PMMA carrier layer.
O le morphology o le fausaga MGG na matauina i le faʻaaogaina o se masini faʻapitoa (Leica) ma se suʻesuʻega eletise eletise (1 kV; FEI). O se microscope malosi atomic (Nanoscope III, Digital Instrument) sa faagaoioia i le tapping mode e matau ai auiliiliga o tusi taai G. Sa fa'ata'ita'iina le manino o ata i se spectrometer e va'aia ultraviolet (Agilent Cary 6000i). Mo faʻataʻitaʻiga pe a oʻo le faʻalavelave i luga o le itu saʻo o le tafe o loʻo i ai nei, na faʻaaogaina photolithography ma O2 plasma e mamanu fausaga graphene i fasi fasi pepa (~ 300 μm lautele ma ~ 2000 μm umi), ma Au (50 nm) electrodes sa faʻaogaina vevela e faʻaaoga ai. ufimata ata i pito uma e lua o le itu umi. Ona tuʻu lea o fasipepa graphene i se SEBS elastomer (~ 2 cm lautele ma ~ 5 cm le umi), ma le umi umi o fasi fasi pepa e tutusa ma le itu puupuu o le SEBS sosoo ai ma le BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O). 1:6) etching ma eutectic gallium indium (EGaIn) e pei o fesootaiga eletise. Mo fa'ata'ita'iga fa'ata'ita'iga tutusa, o le fa'asologa o le graphene structur es (~ 5 × 10 mm) na tu'uina atu i luga ole SEBS substrate, fa'atasi ai ma to'i uumi e tutusa ma le itu umi o le SEBS substrate. Mo tulaga uma e lua, o le G atoa (e aunoa ma le G scrolls) / SEBS na faʻaloloa i luga o le itu umi o le elastomer i totonu o se masini tusi, ma i totonu, matou te fuaina a latou suiga tetee i lalo o le faʻalavelave i luga o se nofoaga suʻesuʻe ma se semiconductor analyzer (Keithley 4200). -SCS).
O transistors sili ona fa'aloloa ma manino uma-carbon transistors i luga o se mea fa'ama'i sa fa'apipi'iina i faiga nei e 'alofia ai le fa'aleagaina o so'o fa'aletino o le polymer dielectric ma mea'ai. O fausaga MGG na faʻafeiloaʻi i luga o le SEBS e fai ma faitotoa eletise. Ina ia maua se toniga manifinifi-film polymer dielectric layer (2 μm mafiafia), o se SEBS toluene (80 mg / ml) fofo sa vili-faʻapipiʻiina i luga o se octadecyltrichlorosilane (OTS) - suia SiO2 / Si substrate i 1000 rpm mo 1 min. O le ata manifinifi dielectric e mafai ona faigofie ona faʻafeiloaʻi mai le hydrophobic OTS luga i luga o le SEBS substrate ufiufi i le graphene e pei ona saunia. E mafai ona faia se capacitor e ala i le teuina o se uʻamea-meamea (EGaIn; Sigma-Aldrich) pito i luga eletise e fuafua ai le gafatia e avea o se galuega o le faʻalavelave e faʻaaoga ai se mita LCR (inductance, capacitance, resistance) (Agilent). O le isi vaega o le transistor e aofia ai le polymer-sorted semiconducting CNTs, mulimuli i taualumaga na lipotia muamua (53). O le puna fa'ameamea/vai eletise sa fau i luga ole SiO2/Si ma'a'a. Mulimuli ane, o vaega e lua, dielectric / G / SEBS ma CNTs / mamanu G / SiO2 / Si, na faʻapipiʻiina le tasi i le isi, ma faʻafefe i le BOE e aveese ai le SiO2 / Si substrate malosi. O le mea lea, na fauina ai le transistors manino atoatoa ma stretchable. O le su'ega eletise i lalo o le mamafa na faia i luga o se seti fa'alautele tusi e pei o le auala na ta'ua i luga.
O mea faʻaopoopo mo lenei tusiga o loʻo avanoa ile http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
mati. S1. O ata fa'ata'ita'i fa'apitoa o le MGG monolayer i luga o substrate SiO2/Si i fa'alautelega eseese.
mati. S4. Fa'atusatusaga o fa'afeagai e lua-su'esu'e ma felauaiga @550 nm o le mono-, bi- ma le trilayer plain graphene (fa'atafafa uliuli), MGG (li'o mumu), ma le CNTs (tatolu lanumoana).
mati. S7. Suiga masani tetee o mono- ma bilayer MGGs (uliuli) ma G (mumu) i lalo o le ~ 1000 cyclic strain utaina e oo atu i le 40 ma 90% galu tutusa, faasologa.
mati. S10. SEM ata o le MGG trilayer i luga ole SEBS elastomer pe a maeʻa faʻalavelave, faʻaalia se koluse taʻavale umi i luga o ni taʻe.
mati. S12. Ata AFM o le MGG trilayer i luga o le elastomer SEBS manifinifi i le 20% faʻamalosi, e faʻaalia ai o se tusi taʻavale na sopoia i luga o se taʻe.
laulau S1. Fe'avea'i ole la'au MGG-ta'i tasi-pa puipui carbon nanotube transistors i auala eseese umi a'o le'i ma ina ua uma ona faigata.
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© 2021 American Association for the Advancement of Science. Ua taofia aia tatau uma. AAAS ose paaga a HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ma COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.